单调谐小信号谐振放大器设计

高频实验报告（一）——单调谐小信号谐振放大器设计组员座位号16实验时间周一上午2目录一、实验目的.....................................................................................................................................3二、实验原理.....................................................................................................................................32.1单调谐放大器的基本原理.................................................................................................32.2主要性能指标及测量方法.................................................................................................72.2.1谐振频率的测试............................................................................................................72.2.2电压增益的测试............................................................................................................82.2.3频率特性的测试............................................................................................................8三、设计方法..................................................................................................................................11四、实验内容及参数设计..........................................................................................................12五、实验参数测试及分析..........................................................................................................16六、思考题....................................................................................................错误!未定义书签。3一、实验目的1．熟悉小信号谐振放大器的工作原理。2．掌握小信号谐振放大器的工程设计方法。3．掌握小信号谐振放大器的调谐方法。4．掌握小信号谐振放大器幅频特性的测量方法。5．熟悉放大器静态工作点和集电极负载对谐振放大器幅频特性的影响。二、实验原理调谐放大器的主要特点是晶体管的集电极负载不是纯电阻，而是由L、C组成的并联谐振回路，由于LC并联谐振回路的阻抗随频率而变化，在谐振频率处、其阻抗是纯电阻，且达到最大值。因此，用并联谐振回路作集电极负载的调谐放大器在回路的谐振频率上具有最大的放大系数，稍离开此频率放大系数就迅速减小。因此用这种放大器就可以只放大我们所需要的某些频率信号，而抑止不需要的信号或外界干扰信号。正因如此，调谐放大器在无线电通讯等方面被广泛地用作高频和中频选频放大器。调谐放大器的电路形式很多，但基本的电路单元只有两种：一种是单调谐放大器，一种是双调谐放大器。这里先讨论单调谐放大器。2.1单调谐放大器的基本原理典型的单调谐放大器电路如图1.1所示。图中R1,R2是直流偏置电阻；LC并联谐振回路为晶体管的集电极负载，Re是为提高工作点的稳定性而接入的直流负反馈电阻，Cb和Ce是对信号频率的旁路电容。输入信号Vs’经变压器耦合至晶体管发射结，放大后再由变压器耦合到外接负载RL，CL上。为了减小晶体管输出导纳对回路的影响，晶体管T1采用抽头接入。15432RLCLCLVCCVs’VsR1R2CbReCe图1.1高频小信号谐振放大器电路在低频电子电路中，我们经常采用混合π模型来描述晶体管。把晶体管内部的物理过程用集中元器件RLC表示。用这种物理模型的方法所涉及到的物理等效电路就是所谓的π参数等效电路。混合π参数是晶体管物理参数，与频率无关，物理概念清楚。但是由于输入输出相互牵制，在高频分析时不太方便。在4高频电子线路的分析中，通常采用Y参数模型来描述晶体管。Y参数是一种网络参数，由于它将晶体管的输入输出分开，所以便于进行高频分析。Y参数与频率有关，但是通常高频小信号放大电路属于窄带放大电路，所以不影响Y参数的运用。Y参数本身可以通过混合π参数换算，也可以通过专门的仪器进行测量。晶体管混合π模型如下图所示becrbb'rb'erb'crceCμCπb'gvmb'e图1.2混合π模型其中bbr是基极电阻，ber是发射结电阻，bcr是集电结电阻，mg称为跨导0'(mA)26(mV)mbecgrI(1-1)C为发射结电容，一般为几十皮法至几百皮法。C为集电结电容，一般为几皮法。对于共发射极组态的三极管电路，Y参数定义如下：biebreccoecfebiyvyviyvyv(1-2)跨导输入短路时的反向传输跨导输出短路时的正向传输输入短路时的输出导纳输出短路时的输入导纳0000bcbcvcbrevbcfevccoevbbieviyviyviyviy(1-3)yvyvrecfebyieyoevbibvcic图1.3晶体管Y参数模型根据晶体管混合π参数模型，可得到Y参数如下：5''''''''''''',11,11bebcmbbieoecebcbbbebbbembcferebbbebbbeCCyygryygyryrygyyyryry在的情况下，近似有(1-4)''''''''111bebebcbcbebccebebcceygjCygjCgggrrr其中：，，，(1-5)通常情况下'bbr较小，一般几百欧姆，'ber较大，一般几千欧姆，为了估算方便，进一步将得到Y参数简化如下：'''''1beiebebebbbeyyygjCry(1-6)'''''''1bcmbboecebcbbbecebccebcceygrygyrygyggjCgjC(1-7)例如，某晶体管的混合π参数为：pF9,pF780,k65,M6.2,k1,60,V6,mA1'''CCrrrrVIcecbebbbCEEQ时当低频工作时，忽略CC,，有μS363.0,mS8.35,μS4.15,mS943.0refeoeieyyyy高频工作时，设f=465kHz，代入前面的公式，有4.97,μS6.24||4.7,mS6.35||,μS)9.816.22(,mS)0.22.1(rerefefeoeieyyyyjyjy结果是所有的参数都变成了复数，其中fey略有变小，并略有相移。但是rey变化强烈，并产生了很大相移，表示晶体管产生了强烈的内反馈。根据Y参数模型，得到图1.1高频小信号谐振放大器电路相应的等效电路如下：65432RLCLL1G0vceyieCyoeyrevbeyfe晶体管LC谐振回路负载ysis信号源图1.4谐振放大器电路等效电路A为了讨论谐振回路的频率特性，可以将连接在LC谐振回路上的所有负载（包括本级晶体管的输出参数和后级的负载）都等效到LC谐振回路的两端，就可将图1.4等效成图1.5。晶体管谐振回路负载isysgieioe'goe'Coe'CG0LgL'CL'13Cie图1.5谐振放大器电路等效电路B其中si，sy为信号源，12113npn为晶体管的集电极接入系数，式中13n为电感线圈的总匝数，12n为晶体管的集电极接入电感线圈匝数；13452nnp为输出变压器的副线圈与原线圈的匝数比，式中45n为电感副线圈的匝数。0G为LC回路本身的损耗电导，L为谐振回路电感。其它参数如下所示：'1iebegr(1-8)ieCC(1-9)1121''''oeoefebeoeoeoeoeipipyvypygjC(1-10)22112222',''''oeoeoeoeLLLLLgpgCpCygjCpgjpC其中(1-11)''LLgjC为谐振放大器输出负载的电导，通常小信号谐振放大器的下一级，仍为晶体管谐振放大器，则'Ly将是下一级晶体管的输人电导ig和电容iC。7晶体管在高频情况下的分布参数除了与静态工作电流、电流放大系数有关外，还与工作角频率ω有关。晶体管手册中给出的分布参数一般是在测量条件一定的情况下测得的。如在0MHz30f，2mAEI，6VCEV条件下测得3DG47的Y参数1.212pF58.3ms4009.5pFieiefeoeoegmsCygsC，，，，2.2主要性能指标及测量方法表征高频小信号谐振放大器的主要性能指标有谐振频率0f，谐振电压放大倍数0vA，放大器的通频带BW及选择性（通常用矩形系数0.1rK来表示）等，采用图1.6所示的测试电路可测量各项指标。实验电路被设计成多个实验通用。对于本实验来说，电路由晶体管1Q，谐振回路221,,ABCCT等构成。6C是输出耦合电容，6R是负载电阻。5C及右侧谐振回路2T，7AC，7BC与本实验无关（5C断开）。本实验的谐振频率由2BC调节，由于2BC的容量有限，故加固定电容2AC以增大总电容。图中输入信号由高频信号发生器提供，示波器监测输入端1J和负载LR端3J的波形。谐振放大器的各项性能指标及测量方法如下。R1C10T1C2BC2AC3C1L1R3R4R232154C5C7AVcc123T2C9R7R6J1C7BC4J3J2J4R5R8C6C8LED45Q1示波器信号源图1.6高频小信号谐振放大器测试电路2.2.1谐振频率的测试放大器的谐振回路谐振时所对应的频率0f称为谐振频率。图1.1所示电路的0f表达式为022121122()ToeLfLCLCpCpC(1-12)式中，L为谐振回路电感线圈的电感量，TC为谐振回路的总电容，C为谐振回路的外接电容，oeC为晶体管的输出电容，LC为负载电容。8在实际的谐振放大器设计过程中，常常是根据上式估算出各电容及电感的数值，然后在实际调试中，通过改变电感或某个电容的值，达到电路谐振在设计频率上的目的。谐振频率0f的调整步骤是，首先使高频信号发生器的输出频率为0f，输出电压为几毫伏；然后调谐集电极回路即改变C或电感线圈L的磁芯位置使回路谐振。LC并联回路谐振时，示波器显示的输出波形幅度最大，且无明显失真。这时回路的谐振频率就等于高频信号发生器的输出频率。2.2.2电压增益的测试放大器的谐振回路谐振时所对应的电压放大倍数v0A称为谐振放大器的电压增益（放大倍数）。0vA的表达式为：0121222012()fefevToeLyyAppppGGpgpg(1-13)要注意的是，fey本身也是一个复数,所以谐振时输出电压oV与输入电压iV